理化所签署40L/h氦液化器（L40B）合作协议 冷箱和换热器等关键设备工艺提升

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6月11日，中科院理化所低温工程与系统应用研究中心和公共技术服务中心液氦技术发展室在理化所廊坊所区举行40L/h氦液化器（L40B）合作协议签署仪式。

▲低温工程与系统应用研究中心和公共技术服务中心液氦技术发展室签署合作协议



签约仪式由财政部重大科研装备研制项目II期总指挥、理化所党委副书记兼纪委书记刘新建主持，国家财政专项监理、北京怀柔综合性国家科学中心书记冯稷，理化所副所长王雪松，项目首席科学家李青，低温工程与系统应用研究中心主任龚领会，公共技术服务中心主任孟祥敏，液氦技术发展室负责人马谦及理化所相关管理部门和设备研发人员参加会议。



多年来，我国在大型低温制冷领域一直缺乏成熟的氦液化器产品，几乎全部依赖进口。自2010年开始，中科院理化所在完成国家财政部重大科研装备研制项目I期“大型低温制冷设备研制”的同时，布局了向更低温区发展的4.5K制冷系统的研制。低温工程与系统应用研究中心研发团队历时8年，相继成功自主研制出氦液化率为40L/h的小型氦液化器——L40A和L40B氦液化器。



40L/h氦液化器属于透平膨胀制冷型氦液化器系列中最小规模的液化器，也是技术难度最高的氦液化器，其核心技术是攻克4.5K低温系统所特有的20万转/分钟级超高速氦气体轴承透平膨胀机的稳定性难题。



▲L40B氦液化器



在L40A氦液化器的研制过程中，研发团队重点突破了两级串联转速均为22万转/分钟的高速、高效、高稳定的氦透平膨胀机技术瓶颈，实现了氦气的液化，该氦液化器目前已投入某公司商业运行。



在此基础上，L40B氦液化器更加强调整机系统结构设计的紧凑性和透平效率、液化率等系统关键指标的整体提升。通过不断改进，冷箱和换热器等关键设备的体积大为缩小，同时，液化器的整体性能也得到了提高。通过流程方案的优化和集成调试工艺的提升，使得L40B的实验结果和设计性能更加吻合，整机性能达到国际水平。



40L/h氦液化器的成功研制，验证了理化所提出的4.5K制冷系统的流程组织、透平膨胀机技术、低温换热器技术、冷箱集成技术、氦气压缩机技术等大型氦低温制冷系统关键技术的技术路线、技术方案、制造和集成工艺的正确性与合理性，标志着我国已具备自主研制标准化和系列化氦液化器的设计和制造能力。



在理化所先进低温技术研发平台发展规划框架下，通过所内研究中心之间合作协议的签署，开创了新技术或新产品不出所门即可完成验证或示范应用的新模式。



40L/h氦液化器移交至理化所液氦技术发展室进行示范性生产运行，在具有30多年氦液化器运行和维修维护经验的专业团队的生产运行和管理下，通过实际运行的积累和情况反馈，将会对理化所氦液化器产品性能的不断提高和设计制造技术的不断完善起到重要作用。同时，在理化所建立一个向国内低温工程界和大型氦低温制冷机用户展示技术和代表性产品的窗口，展现理化所低温技术研发和系统应用能力。




▲全国产化4.5K低温制冷机




关于4.5K制冷系统


2017年10月18日，在国家财政部重大科研装备研制项目II期“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”的支持下，中科院理化所自主研发成功首台全国产化250W@4.5K液氦制冷机，并通过专家验收。这标志着我国低温制冷设备研发和制造能力迈上了一个崭新的台阶，实现了液氢温区到液氦温区的关键突破，填补了我国液氦温区大型氦低温制冷机制造技术的空白。该制冷机不仅可以进一步满足国家航空航天、大科学装置等战略领域的高技术发展需求，而且可以促进国内相关领域的先进技术得到持续发展。



液氦温区大型低温制冷系统是指制冷温度在4.5K温区范围，制冷量几百乃至万瓦以上，集流程优化与控制技术、气体轴承透平膨胀机技术、氦压缩机及高效滤油技术、复杂低温系统的集成调控技术为一体的低温制冷系统。在项目I期成功研制国内首台万瓦级液氢温度制冷机的基础上，中科院理化所自2015年开始研制250W@4.5K液氦温区低温制冷机，以期实现向更低温度的突破。经过全体科研人员一年多的拼搏奋斗，2017年成功研制出首台全国产化液氦制冷机，该制冷机在运行测试期间，制冷量稳定在280W@4.32K（考核指标：250W@4.5K），系统单位能耗（1/COP）达到536W/W，各项性能指标均优于考核指标，整机性能达到国际先进水平。



专家们一致认为，中科院理化所研制出国内首套250W@4.5K氦制冷机，完成了任务目标，实现了全国产化，达到国际先进水平。攻克了液氦温区的高速氦透平膨胀机技术、紧凑型低漏率换热器技术、低温调节阀门设计和制造技术、制冷机系统集成调控技术，以及高效氦螺杆压缩机技术。



同时，中科院理化所承担的大型低温制冷装备产业化工作也取得了重要进展，依托于该重大科研装备研制项目技术，创立了产业化企业——北京中科富海低温科技有限公司。公司已于2016年8月在北京市海淀区正式注册成立，注册资本1.3亿。

▲首套200W@4.5K大型氦制冷机系统出口韩国商业合同正式签约



2017年11月21日，中科富海低温科技有限公司与韩国Vitzrotech公司签订了200W@4.5K大型氦制冷机出口商业采购合同。这是继2017年1月10日理化所与韩国国家核聚变研究所（NFRI）签订“中国-韩国大型低温制冷系统”战略合作框架协议以来，双方积极落实合作协议内容取得的重要合作成果。



据了解，该套200W@4.5K大型氦制冷机系统应用于韩国国家核聚变研究所大科学装置KSTAR-NBI（中性束注入器）升级改造项目中，为低温泵冷板提供冷量，保证系统获得并维持超高真空。